基于tdcm模型的变电站地表电位计算及选址检测方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电模型；应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数；根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布图；进而求得流过变压器中性点的直流电流量；将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威胁。本发明为准确评估流过变压器中性点直流量提供理论依据，保证直流接地极附近变电站选址合理性，为发生直流偏磁变电站治理措施提供支持，对特高压交直流混联电网合理规划和直流偏磁治理有重要意义。
【专利说明】基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变电站地表电位计算检测【技术领域】，尤其涉及基于TDCM模型的变电 站地表电位计算及选址检测方法。
【背景技术】
[0002] 在远距离、大容量输电和电力系统联网方面，高压直流输电具有明显优势，在我国 能源结构调整及"西电东送"工程中起着重要作用。然而，当高压直流输电采用单极大地回 路运行方式时，强大的入地直流造成地表电位（EarthSurfacepotential,ESP)分布不均 匀，一部分直流电流通过接地的变压器中性点进入交流输电系统，引起变压器直流偏磁，铁 芯高度饱和，磁化电流严重畸变，造成变压器噪音增大、振动加剧、局部过热、寿命减少等， 严重时甚至威胁交直流混联电网的安全稳定运行。随着我国高压直流输电工程的日益增 多，高压直流输电单极大地运行总时间越来越长，而且作为故障应急方式，大地回路运行方 式基本不可避免。因此，对高压直流输电接地极附近变电站的变压器直流偏磁进行研究具 有重要的理论意义和重大工程实用价值。
[0003] 要评估直流偏磁对高压直流输电接地极附近变压器的影响，首先需要根据特定土 壤模型计算各变电站ESP，再求得流过变压器中性点的直流电流量，以评估变压器是否受到 直流偏磁威胁或采取合理措施治理直流偏磁。
[0004] 申请号为201310720023. 5的发明专利公开了一种直流输电单极运行时变压器中 性线电流的计算方法，包括：建立接地极模型和大地土壤模型，计算接地极周围地表电位 分布；建立电网的直流电路模型；根据计算的所述地表电位分布和建立的所述直流电路模 型，计算变压器中性线电流。本发明考虑海岸效应对大地土壤模型的影响，建立接地极模型 和大地土壤模型计算接地极周围地表电位分布；建立电网的直流电路模型，根据求得的中 性点电位计算变压器中性线电流。本发明适应性强，可以计算内陆和沿海地区变压器中性 线电流，能显著提高计算精度，对直流单极大地运行时变压器乃至整个系统的安全稳定运 行都具有重要的实际意义。
[0005] 申请号为201110370619. 8的发明专利公开了一种跨步电压多点拟合测试方法， 本发明以跨步电压测试点为中心，按田字形网格均匀布置指定数量地表电位测试点；之后， 测量地表电位测试点与跨步电压测试点之间的电位差；最后，将测得的地表电位测试点和 跨步电压测试点之间的相对距离和电位差进行数据拟合，求出最大的电位差，即为跨步电 压测试点的跨步电压值。本发明能够保证测量准确度，而且操作简便、快捷。
[0006] 申请号为03119386. 2的发明专利公开了一种阴极保护管道的管地电位和地表电 位综合检测方法及装置，属于对埋地管道的检测技术。该方法采用至少各一个检测管地电 位和地表电位的参比电极同时进行测量，并在测量过程中采用瞬间中断电流法或外加激励 电流信号法消除IR降，将记录仪采集的测试数据经微机分析，确定真实的管地电位和地表 电位。实现本技术的装置包括参比电极组、数据采集记录装置、信号发生装置、电流中断器、 测距仪以及微机分析系统，数据采集记录装置与电流中断器和信号发生装置采用GPS进行 同步设置。本发明由于同步记录管地电位和地表电位梯度，获取更加真实、丰富的信息，检 测效率高。
[0007] 然而，在地表电位计算机仿真的计算评估领域，上述方法均不适用。要准确计算 变电站地表电位值,取决于点源格林函数的精确求解。要准确计算点源格林函数，需基 于合适的土壤模型应用物理意义明确、收敛性好的简便算法。土壤模型越接近实际土壤 结构，计算结果将越准确。迄今为止，三维复合分层土壤导电模型（Three-Dimensional Combined-layerSoilModel,TDCM)是最能准确模拟实际土壤结构的模型，模型综合考虑 了土壤结构在三维方向的变化，但TDCM模型下格林函数的有效求解是一个尚未有效解决 的难题。由于经典镜像法级数收敛速度很慢，不具备推导TDCM格林函数能力；由于复镜像 法引入了复数距离和角度等概念，大大增加了计算复杂性，且镜像的位置和强度均为复数， 物理意义不明确，因而应用受到相当限制。上述原因使任意多层TDCM格林函数精确求解受 到限制，导致对流经一些变压器中性点的直流量评估严重失真，造成不合理的电网规划方 案和直流偏磁治理措施。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，通 过一种物理意义明确、可靠收敛的计算任意分层TDCM格林函数的算法，用以准确计算复杂 地形条件下的ESP值，为高压直流输电接地极附近变电站规划选址和直流偏磁治理提供支 持。
[0009] 为实现上述目的，本发明的方案是：基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址 检测方法，包括如下步骤： 1) 根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电（TDCM)模 型； 2) 应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数，将点源格林函数表示成有限个 经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数； 3 )根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布 图； 4) 根据已知的交流系统网络电阻参数和求得的地表电位分布图，求得流过变压器中性 点的直流电流量； 5) 将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威 胁，如果直流电流值小于变压器直流偏磁阈值，可以判断变电站地表电位合适，不予采取治 理方案，反之，需选取变电站新址或采取合理措施治理直流偏磁。
[0010] 所述TDCM格林函数可分解为水平分层土壤模型下格林函数与坚直分层土壤模型 下格林函数。
[0011] 所述ESP计算软件为⑶EGS仿真软件。
[0012] 本发明所介绍的基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其根本 目的在于变电站的选址检测，采用手段是通过计算流过变压器中性点的直流电流量，以评 估变压器是否受到直流偏磁威胁，其基础是需要根据特定土壤模型计算接地极周围地表电 位分布，进而建立电网的直流电路模型，所以提出了一种基于TDCM模型构建点源格林函 数，推导地表电位模型公式的方法。
[0013] 本发明在计算TDCM格林函数时，首次采用了拟合镜像法。相对于复镜像法所存在 的收敛性差、物理意义不明确以及经典镜像法所存在的不具备求解能力的缺点，拟合镜像 法将点源格林函数表示成有限个经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实 数，因此其物理意义比复镜像法更合理，数学处理也更简便，是快速精确计算分层大地媒质 中点源格林函数的一个很好的候选方法。在此基础上，首次推导了任意多层TDCM格林函数 算法。根据本发明计算得到的格林函数计算直流接地极附近变电站ESP，为准确评估流过变 压器中性点直流量提供理论依据，保证直流接地极附近变电站选址合理性，为发生直流偏 磁变电站治理措施提供支持，对特高压交直流混联电网合理规划和直流偏磁治理有重要意 义。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明变电站地表电位计算及选址检测方法流程图。
[0015] 图2是任意多层结构的TDCM纵剖面示意图。
[0016] 图3是本发明实施例中特定结构的TDCM纵剖面示意图。
[0017] 图4是三维复合分层土壤模型（TDCM)模型下变电站地表电位分布图。
[0018] 图5是水平分层土壤模型（HMSM)下变电站地表电位分布图。
[0019] 图6是二维复合分层土壤模型（HSSM)下变电站地表电位分布图。
【具体实施方式】
[0020]基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，具体流程如图1所示，涉 及地表电位计算与变电站选址判断两个方面，其核心在于变电站地表电位计算方法，步骤 在于：根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电（TDCM)模 型；应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数，将点源格林函数表示成有限个经典 镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数；根据TDCM格林函数推导电位表达 式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布图，其中，TDCM格林函数可分解为水平分 层土壤模型下格林函数与坚直分层土壤模型下格林函数，具体实施步骤根据图2作进一步 阐述： 1.水平分层土壤模型下格林函数 若X%y轴方向土壤不分层，把图2水平第1层看作是电阻率为Pd的均匀土壤，即Pll=Pi,则TDCM转化为水平分层土壤模型，除点电源f处，点源在其它各空间位置产生的 电位U均满足拉普拉斯方程：
【权利要求】
1. 基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其特征在于：包括如下步 骤： 1) 根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电（TDCM)模 型； 2) 应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数，将点源格林函数表示成有限个 经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数； 3 )根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布 图； 4) 根据已知的交流系统网络电阻参数和求得的地表电位分布图，求得流过变压器中性 点的直流电流量； 5) 将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威 胁，如果直流电流值小于变压器直流偏磁阈值，可以判断变电站地表电位合适，不予采取治 理方案，反之，需选取变电站新址或采取合理措施治理直流偏磁。
2. 如权利要求1所述的基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其特征 在于：所述TDCM格林函数可分解为水平分层土壤模型下格林函数与坚直分层土壤模型下 格林函数。
3. 如权利要求1所述的基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其特征 在于：所述ESP计算软件为CDEGS仿真软件。
【文档编号】G06F17/50GK104318003SQ201410556872
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李文峰, 白宏坤, 刘永民, 王江波, 李虎军, 杨萌 申请人:国家电网公司, 国网河南省电力公司经济技术研究院